具有POGO振动的捆绑火箭建模与姿态控制

发布时间：2017-10-12 08:07

  本文关键词：具有POGO振动的捆绑火箭建模与姿态控制

  更多相关文章： 捆绑火箭 POGO振动 多体系统建模 脉冲混杂系统 模型降阶 滑模控制

【摘要】：运载火箭的设计水平决定一个国家进入太空的能力和航天活动的规模,其姿态稳定性是完成发射任务的重要保障。对于采用液体燃料作为推进剂的大型运载火箭,必须考虑推进系统推力脉动和箭体弹性振动的耦合作用对姿态稳定性的影响,而这类耦合振动被称为POGO振动。传统力学分析方法对于POGO振动相关问题的研究是基于串联多级火箭一维梁结构动力学模型,然而随着我国新型大推力捆绑火箭的研制成功,这种一维梁结构动力学模型存在一定的局限性,无法反映捆绑火箭复杂三维POGO振动特点。针对上述问题,本学位论文深入研究了大型捆绑火箭多体系统动力学建模方法、高维动态系统的选频保结构模型降阶方法、具有POGO振动连续和离散过程的混杂系统描述方法以及基于稳态误差界的姿态控制方法,主要工作包括以下几个方面：以我国新型捆绑火箭作为研究对象,对由箭体刚体运动、弹性振动、燃料晃动以及发动机推力脉动之间的耦合作用,所导致的POGO振动对姿态运动的影响进行建模与分析。首先,通过刚性体段、复合约束虚铰、系统内外承受的力以及三维拓扑结构所确定的多体系统建模方法,建立捆绑火箭结构-推进-POGO振动耦合多体系统动力学模型。然后,将所得到的新型捆绑火箭动力学模型进行姿态小偏差线性化处理,获得具有POGO振动的捆绑火箭线性化姿态运动方程。最后,通过虚拟样机技术对捆绑火箭多体系统动力学模型进行数值仿真,将其结果与集中质心液体火箭动力学模型进行对比,验证多体系统建模方法的有效性。针对捆绑火箭动力学模型所具有的高维系统特点,采用模型降阶方法降低姿态控制器设计难度和计算复杂度。通过结合由奇异值分解和Krylov子空间理论发展的两类模型降阶方法特点,提出一类SVD-Krylov子空间一体化模型降阶方法,该方法不仅能够保证降阶系统维持原系统的性能特点,并且算法计算效率高且能够满足降阶误差要求。针对一般降解方法导致降阶系统失去原始系统结构和物理意义的问题,设计一种选频保结构降阶方法,通过构造分块可控可观Gram矩阵实现在保持模型二阶结构的情况下,所得到的降阶系统能在特定频域区内逼近原始系统。最后,将降阶捆绑火箭动力学模型与原始模型的姿态仿真结果进行对比,验证所提出模型降阶方法的有效性。采用混杂系统稳定性分析方法研究捆绑火箭的姿态运动稳定问题。通过引入脉冲混杂系统描述方法,分析具有连续过程和离散过程的POGO振动对捆绑火箭姿态运动的影响。根据混杂系统稳定性分析方法,研究了一类输入状态稳定的脉冲混杂系统,并通过Lyapunov函数和脉冲函数的时间序列驻留要求,给出满足输入状态稳定的充分条件。进一步,针对具有随机扰动和状态时滞的混杂系统,研究一类中立型时滞随机脉冲混杂系统,通过构造Lyapunov-Krasovskii泛函以及Ito方程,得到系统渐进稳定的充分条件。最后,通过对捆绑火箭多体系统降阶模型进行姿态运动数值仿真,验证所提出的两类系统稳定充分条件的有效性。针对捆绑火箭高精度姿态稳定控制要求,设计一类基于Slotine形式的积分滑模控制器,采用边界层方法抑制滑模控制抖振现象,并通过选择适合的边界层厚度满足稳态跟踪误差界要求,不必通过反复仿真实验试凑。进一步将具有POGO振动的捆绑火箭姿态控制问题,抽象描述为具有随机扰动和中立型时滞的脉冲混杂系统控制器设计问题；基于混杂系统渐进稳定的充分条件,设计一种有限时间到达的积分滑模控制方法,使得系统状态能够快速收敛到期望的误差界内。最后,通过对捆绑火箭姿控系统进行数值仿真,说明所设计的滑模控制方法能够有效抑制POGO振动影响,能够保证运载火箭维持较高的姿态稳定精度。
【关键词】：捆绑火箭 POGO振动 多体系统建模 脉冲混杂系统 模型降阶 滑模控制
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 绪论14-36
• 1.1 课题来源及研究意义14-20
• 1.1.1 课题来源14
• 1.1.2 课题研究意义和面临的技术问题14-20
• 1.2 相关领域研究进展20-32
• 1.2.1 捆绑火箭POGO振动问题研究20-23
• 1.2.2 捆绑火箭动力学建模方法23-29
• 1.2.3 高维系统降阶方法研究29-30
• 1.2.4 捆绑火箭姿态控制方法30-32
• 1.3 本文主要研究内容32-36
• 第2章 捆绑火箭的多体系统动力学模型36-74
• 2.1 引言36-37
• 2.2 常用坐标系定义与转换37-39
• 2.3 传统串联火箭建模方法39-48
• 2.3.1 动力学模型的基本方程39-42
• 2.3.2 非线性动力学模型的方程展开42-45
• 2.3.3 传统模型的局限性45-48
• 2.4 新型火箭结构-推进-POGO振动耦合系统模型48-66
• 2.4.1 多体系统与旋量理论48-49
• 2.4.2 捆绑火箭多体系统基本运动方程49-52
• 2.4.3 单元体燃料晃荡运动方程52-53
• 2.4.4 单元体推进系统脉动运动方程53-55
• 2.4.5 捆绑火箭多体系统动力学模型55-63
• 2.4.6 小偏差线性化姿态运动方程63-66
• 2.5 模型分析和仿真验证66-72
• 2.6 本章小结72-74
• 第3章 大型高维动态系统的模型降阶74-94
• 3.1 引言74
• 3.2 模型降阶的基本方法74-79
• 3.2.1 模型降阶的基本思想74-75
• 3.2.2 两类基本模型降阶方法75-79
• 3.3 SVD-Krylov子空间算法对大型动态系统降阶79-84
• 3.3.1 SVD-Krylov子空间降阶方法79-81
• 3.3.2 捆绑火箭二阶平衡降阶81-84
• 3.4 具有秩约束控制器设计的多项式系数方法84-87
• 3.4.1 特征多项式系数84-86
• 3.4.2 秩约束等效替换86-87
• 3.5 数值仿真及结果分析87-93
• 3.6 本章小结93-94
• 第4章 具有POGO振动的捆绑火箭脉冲混杂系统94-121
• 4.1 引言94-95
• 4.2 捆绑火箭的混杂系统描述方法95-102
• 4.2.1 混杂系统的两类描述方法95-96
• 4.2.2 捆绑火箭的混杂自动机模型描述96-99
• 4.2.3 捆绑火箭的脉冲混杂系统描述99-102
• 4.3 脉冲混杂系统的输入状态稳定102-111
• 4.3.1 输入状态稳定Lyaponov函数103-105
• 4.3.2 输入状态稳定的脉冲时间间隔条件105-108
• 4.3.3 数值仿真及结果分析108-111
• 4.4 中立型时滞随机脉冲系统的稳定性分析111-120
• 4.4.1 稳定性理论与预备知识112-113
• 4.4.2 全局渐近稳定性的充分条件113-116
• 4.4.3 数值仿真及结果分析116-120
• 4.5 本章小结120-121
• 第5章 捆绑火箭姿态的滑模变结构控制方法121-147
• 5.1 引言121-122
• 5.2 系统描述及相关定义122-125
• 5.3 Slotine滑模面的边界层方法125-133
• 5.3.1 滑模控制的基本方法125-127
• 5.3.2 Slotine滑模控制127-129
• 5.3.3 数值仿真及结果分析129-133
• 5.4 脉冲混杂系统的滑模控制133-146
• 5.4.1 抖振特性及其频率调整133-134
• 5.4.2 脉冲混杂系统的稳定性分析134-138
• 5.4.3 有限时间到达的终端滑模控制138-140
• 5.4.4 数值仿真及结果分析140-146
• 5.5 本章小结146-147
• 结论147-150
• 参考文献150-163
• 攻读博士学位期间发表的论文及其他成果163-165
• 致谢165-166
• 个人简历166

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本文编号：1017578